基于脈沖反射法的電纜故障反射波形分析

1、精心整理基于脈沖反射法的電纜故障反射波形分析1電纜線路行波測距理論分析1.1波速度在被測電纜的一端施加脈沖電壓后，由于電纜中分布電感和分布電容的存在，電流在分布電感中不能立即產(chǎn)生，電壓在分布電容上也不能馬上建立，都需要一定的時間才能到達(dá)電纜的末端。因此，電磁波在電纜中是以一定的速度傳播的，電磁波在電纜中的傳播速度為v,可表示為:11C(1-1)3F/m； r為相其中，C為光速，等于3 108m/s ；0為真空或氣體的介電常數(shù)，為對介電常數(shù)；為真空磁導(dǎo)率，為4二10丄H/m ；心為相對磁導(dǎo)率由式(1-1)可見，電纜中電磁波的傳播速度與電纜的導(dǎo)體材料、長度、結(jié)構(gòu)等無關(guān)，只與絕緣材料的相對磁導(dǎo)率和相

2、對介電系數(shù)有關(guān)，而不同絕緣材料的介電系數(shù)互不相同。因此，不同絕緣材料電纜中電磁波的傳播速度也互不相等。但同種絕緣材料的電纜中，電磁波傳播速度是不變的。采用脈沖反射法測量電纜故障距離時需要知道電磁波在電纜中的傳播速度。常用電力電纜中電磁波的傳播速度參考值如表1.1所示1:表11電纜中脈沖波速度參考值序號電纜絕緣介質(zhì)脈沖傳播速度(m/七)1空氣絕緣2942聚乙烯2013填充聚乙烯1924油浸紙1605交聯(lián)聚乙烯156-1746填充聚乙烯1927泡沫聚乙烯2468聚四氟乙烯2139高分子聚合物168-18610紙，充油150-168精心整理1.2波阻抗當(dāng)電力電纜被等效看成長線時，可以用一個特性參數(shù)來

3、描述電纜中電壓和電流的對應(yīng)關(guān)系， 這個特性參數(shù)就是特性阻抗，又稱波阻抗。在電纜中，電壓信號和電流信號是相互伴隨向前傳播 經(jīng)分析Z可表示為：C： (1-2)由于上式中的Lo和Co除了與電纜所用的絕緣材料的介電系數(shù)和磁導(dǎo)率有關(guān)，還與電纜的截面 結(jié)構(gòu)、絕緣層厚度、芯線與外保護(hù)層間的距離等幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此不同種類、不同型號的的電 纜，它們的波阻抗也不相等。電纜線路的 Co大而Lo小，因此電纜的波阻抗比架空線路小很多，而 且變化范圍很大，大約在1040門之間。對于正向電壓波U .與電流波i .之間，滿足關(guān)系3:1 二Z (1-3)i對于反向電壓波U _與電流波i 一之間，則乙二 z (1-4)i _由

4、上可看出，正向電壓、電流波同極性，而反向電壓、電流波反極性。假設(shè)電壓行波極性為正，則線路上電流行波的流動方向就是電壓行波的流動方向。電纜的波阻抗與電纜本身的結(jié)構(gòu)與絕緣介質(zhì)及導(dǎo)體材料有關(guān)，而與電纜的長度無關(guān)，即使很 小一段電纜，它的波阻抗也處處相等。波阻抗是電纜中一對正向或反向電壓、電流波之間的幅值 之比，而不是任一點(diǎn)電壓、電流瞬間幅值之比，因?yàn)殡娎|任一點(diǎn)電壓、電流的瞬時值是通過該點(diǎn) 的許多個正向與反向電壓、電流行波相迭加而形成的。1.3電纜中電磁波的反射電纜中行波的傳播情況是由電纜的波阻抗來決定的，行波在一條均勻無損單導(dǎo)線上傳播時速 度一定、幅值恒定、波形不變。然而在實(shí)際線路中，總會遇到線路均

5、勻性遭到破壞的情況，例如 兩條波阻抗不同的電纜相連接時、電纜發(fā)生故障時、線路的末端等，行波到達(dá)這些地方時必然會 出現(xiàn)電壓、電流、能量的重新分配，這些地方稱之為節(jié)點(diǎn)。電壓、電流和能量重新分配的過程也 就是行波的折射和反射現(xiàn)象。脈沖法進(jìn)行電纜故障測距時，脈沖在阻抗不匹配處會發(fā)生反射和折射，其反射和折射系數(shù)可 以用反射電壓(電流)與入射電壓(電流)的比值表示。如圖1.1所示，入射波從S端口進(jìn)入，故障點(diǎn)F 處的等效阻抗為Zx，入射波到達(dá)故障點(diǎn)F產(chǎn)生反射和折射。假設(shè)入射電壓、電流分別為 U和i*，反射電壓、電流分別為和i：,折射電壓、電流分別為U，和i：。圖1.1脈沖波形反射分析圖根據(jù)上圖1.1可知入射

6、、反射和折射電壓三者之間的關(guān)系， 入射、反射和折射電流三者之間的關(guān)系，以及入射電流、折射電流和波阻抗之間的關(guān)系，即：精心整理1冷;+匚U； = U；+U：(1-5)：2Z =i：(Z+ Zx)則電流折射系數(shù)為:Hi 二芻(1-6)電流反射系數(shù)為:=Hi -仁 (1-7)Z Zx電壓折射系數(shù)為:HuZ 2ZZx2Zx (1-8)U=HiZ Z Zx電壓反射系數(shù)為：Pu 二* 二丄尋二 Hu“=| (1-9)2脈沖反射法電纜故障波形分析根據(jù)上一章節(jié)的理論分析，下面討論當(dāng)電力電纜發(fā)生短路、斷路、低阻以及高阻故障時其故障點(diǎn)的反射情況： (1)短路情況當(dāng)電纜短路時，從故障點(diǎn)F向負(fù)載看去其等效阻抗為零，即

7、相當(dāng)于阻抗 Zx=O，求得電壓反Z -Z射系數(shù)R -乂二1，這說明短路反射電壓波的極性與入射波相反，幅值大小相同，故障點(diǎn)的Z X + Z合成電壓為0。但脈沖在實(shí)際傳播中能量是有損耗的，實(shí)際采集的波形如下圖2.15:圖2.1短路或接地波形圖(2 )斷路情況當(dāng)電纜出現(xiàn)斷路點(diǎn)時或者行波運(yùn)動到電纜的開路終端時，從斷路點(diǎn)向負(fù)載看去等效阻抗無窮 大，即Zx：，求得電壓反射系數(shù)Pu =3乙=1。這說明斷路造成了脈沖的全反射，電壓反射u zx+z波與入射波極性相同，幅值也相同，實(shí)際的開路點(diǎn)電壓是入射電壓與反射電壓之和問。實(shí)際采集波形如下圖2.2：圖2.2開路或全長波形圖(3)低阻、高阻故障情況假設(shè)正常情況下電

8、纜對地絕緣電阻為 Zo，在電纜無故障情況下，Zo遠(yuǎn)大于波阻抗Z ,因此電 纜各點(diǎn)等效阻抗可以認(rèn)為都等于 Z（等效阻抗可理解為Zo與Z并聯(lián)）。但是，當(dāng)電纜中間出現(xiàn)低阻 或高阻故障時，此時故障點(diǎn)對地絕緣電阻就會遠(yuǎn)小于正常情況絕緣電阻（一般認(rèn)為低阻故障點(diǎn)處絕緣電阻ZoVIOZ，高阻故障點(diǎn)處Zo10Z，但都遠(yuǎn)小于正常情況下絕緣電阻 Zo），那么故障點(diǎn)等效Z _Z阻抗JJZ，由故障點(diǎn)電壓反射系數(shù)為Pu =可知反射系數(shù)不為0。對于低阻故障，乙與波Zx+Z阻抗Z相差較大，反射系數(shù)較大，因此適合用低壓脈沖反射法；而對于高阻故障，Zx接近于波阻抗Z,電壓反射系數(shù)會很小，即低壓脈沖在故障點(diǎn)沒有明顯的反射 （反射脈

9、沖幅度小于5%），因此 對于高阻故障，低壓脈沖反射法不再適用。綜上所述，故障點(diǎn)的存在會使該點(diǎn)的波阻抗發(fā)生變化，行波在該點(diǎn)會發(fā)生波的反射現(xiàn)象，行波在傳輸線中的傳播速度是一定的，通過測量入射波和反射波之間的時間差，就可以得到故障點(diǎn)的距離。由于電纜本身存在著損耗，行波在電纜中傳輸會發(fā)生畸變現(xiàn)象，實(shí)際波形與理想波形相比會有一定差距。2.1低壓脈沖反射法介紹及其波形分析T型接頭與終端低壓脈沖反射法，又稱雷達(dá)法，可用于測量電纜的低阻短路與斷路故障。低壓脈沖法還可用于測量電纜的長度、電磁波在電纜中的傳播速度，還可用于區(qū)分電纜的中間頭、頭等3。圖2.3低壓脈沖反射法測距系統(tǒng)原理圖如上圖2.3，低壓脈沖法的基本

10、原理：測試時在電纜線路故障相的一端發(fā)射一個低壓脈沖，當(dāng)脈沖在傳輸過程中遇到阻抗失配的地方，如斷線點(diǎn)、低阻短路（接地）點(diǎn)、中間接頭、T接頭和終端頭等，會引起波的反射即脈沖反射波，這個脈沖反射波回到測試端，被探測設(shè)備記錄下來。波形 上發(fā)射脈沖與反射脈沖的時間差t，對應(yīng)脈沖在測量點(diǎn)與阻抗不匹配點(diǎn)往返一次的時間，已知脈沖在電纜中的波速V，則阻抗不匹配點(diǎn)的距離可由下式計(jì)算：號（2-3）低阻故障情況下，低壓脈沖反射波形如上圖2.1,開路故障情況下波形如上圖2.2,之前對波形已經(jīng)說明在此不再贅述。低壓脈沖法簡單、直觀，不需要知道電纜的準(zhǔn)確長度，根據(jù)脈沖反射 波還可以識別電纜接頭與分接點(diǎn)的位置，但該方法只適用

11、于電纜低阻和斷路故障測距或用于電纜 全長測量，不能用于電纜高阻和閃絡(luò)性故障測距。2.2脈沖電流法介紹及其波形分析脈沖電流法是在脈沖電壓法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是閃絡(luò)法進(jìn)行電纜故障測距的另一種形式，包括直流高壓閃絡(luò)法（直閃法）和沖擊高壓閃絡(luò)法（沖閃法）7。其故障測量原理同脈沖電壓法相似， 在電纜故障點(diǎn)擊穿時，通過線性耦合器記錄產(chǎn)生的電流脈沖信號，分析脈沖波在測試端到故障點(diǎn) 往返一次的時間，并根據(jù)波速來計(jì)算故障點(diǎn)的距離。直閃法用于測量閃絡(luò)擊穿性故障，即故障點(diǎn)電阻極高，在用高壓實(shí)驗(yàn)設(shè)備把電壓升到一定值 時就產(chǎn)生閃絡(luò)擊穿的故障一般預(yù)防性試驗(yàn)中出現(xiàn)的電纜故障多屬于該類故障，直閃法測試接線如 下圖2.4所示

12、。圖2.4直閃法原理圖由如上圖2.4所示，TI為調(diào)壓器，T2為高壓試驗(yàn)變壓器，C為儲能電容器，L為線性電流耦 合器。線性電流耦合器L的輸出經(jīng)屏蔽電纜接測距儀器的輸入端子。儲能電容C對高頻行波信號精心整理呈短路狀態(tài)，在故障點(diǎn)擊穿產(chǎn)生的電壓、電流行波到達(dá)后，起產(chǎn)生電流信號的作用，可選用脈沖 電容器，也可使用6千伏(直流高壓在30千伏以下時)或10千伏(直流高壓在30-50千伏之間時)電 力電容器。直閃法典型波形如下圖2.5:圖2.5直閃法標(biāo)準(zhǔn)波形上圖2.5中第一個脈沖是由故障點(diǎn)傳來的放電脈沖，而第二個脈沖是從故障點(diǎn)返回的反射脈沖。在故障點(diǎn)電阻不很高時，因直流泄漏電流較大，電壓幾乎全降到了高壓試驗(yàn)

13、設(shè)備的內(nèi)阻上去了，電纜上電壓很小，故障點(diǎn)形不成閃絡(luò)，必須使用沖閃法。沖閃法接線如下圖 2.6所示，它與直閃法接線基本相同，不同的是在儲能電容C與電纜之間串入一球形間隙 G。通過調(diào)節(jié)調(diào)壓升壓器對電容 C充電，當(dāng)電容C上電壓足夠高時，球形間隙G擊穿，電容C對電纜放電， 這一過程相當(dāng)于把直流電源電壓突然加到電纜上去。沖閃法的典型波形如下圖2.7所示。圖2.6沖閃法原理圖圖2.7沖閃法標(biāo)準(zhǔn)波形圖2.7中第一個電流脈沖是電容對電纜的放電造成的，第二個脈沖是由故障點(diǎn)傳來的放電脈 沖，放電脈沖在整個波形上幅值最大，且變化尖銳，在故障點(diǎn)擊穿后，放電脈沖到達(dá)測量點(diǎn)后產(chǎn) 生反射折回故障點(diǎn)，在故障點(diǎn)又被反射回到測量

14、點(diǎn)，這一過程不斷進(jìn)行。根據(jù)故障點(diǎn)放電脈沖與相應(yīng)的故障點(diǎn)反射脈沖之間的時間差即可求出故障點(diǎn)距離同。脈沖電流法與脈沖電壓法原理相似，區(qū)別在于脈沖電流法檢測時測量設(shè)備和高壓設(shè)備之間沒有直 接的聯(lián)系，安全可靠，且接線相對簡單，受到了測試人員的歡迎。但是該方法的波形較復(fù)雜，故 障點(diǎn)反射脈沖不明顯不易識別，造成測距誤差較大。2.3二次脈沖反射法介紹及其波形分析二次脈沖法結(jié)合了低壓脈沖法的波形簡單與脈沖電流法可以測量高阻故障的優(yōu)點(diǎn)，該方法測 試原理圖如下圖2.8所示。先由高壓脈沖電源發(fā)射高壓脈沖使電纜故障點(diǎn)發(fā)生閃絡(luò)，故障點(diǎn)的電弧表現(xiàn)為阻值非常低的電阻，同時波反射儀送出第一個低壓脈沖，此脈沖在故障點(diǎn)發(fā)生短路反

15、射， 波形同低壓脈沖法遇短路故障反射的波形類似，如下圖2.9(a)。在電弧熄滅后，故障點(diǎn)恢復(fù)到高阻狀態(tài)，由波反射儀釋放第二個低壓脈沖，因?yàn)樵诟咦韫收宵c(diǎn)低壓脈沖不能被反射，儀器將顯示整 個電纜長度的波形并存儲起來，如下圖2.9(b)。將完好軌跡和故障軌跡進(jìn)行疊加比較，疊加圖如下圖2.9(c)，兩條軌跡將有一個清楚的發(fā)散點(diǎn)，這個發(fā)散點(diǎn)就是故障點(diǎn)的反射波形點(diǎn)9。圖2.8二次脈沖測試原理圖圖2.9次脈沖波形圖二次脈沖法的優(yōu)點(diǎn)在于可以避開故障點(diǎn)閃絡(luò)時引起強(qiáng)烈的電磁干擾；較長線路也能記錄到清晰的信號波形，提高測量精度。缺點(diǎn)是：所用儀器較多；由于故障點(diǎn)電阻要降到很小的數(shù)值，女口果故障點(diǎn)受潮嚴(yán)重，故障點(diǎn)擊穿過程較長，測試時間相應(yīng)增加，故障點(diǎn)維持低阻狀態(tài)的時間不確定。但總的來說，二次脈沖法是一種廣受歡迎的測距方法。3參考文獻(xiàn)1遲震.脈沖反射法電纜綜合故障定位研究D.哈爾濱理工大學(xué),2013.2伏圣群.行波反射法電纜故障檢測關(guān)鍵技術(shù)研究D.哈爾濱理工大學(xué)，2014.3白春濤.電力電纜故障低壓脈沖自動測距方法研究D.鄭州大學(xué),2007.4楊艷偉.基于低壓脈沖法的電纜故障